基于云端架構的核生化態勢感知系統

閻耀宏，謝海松，劉國永，李曉婷，孫 娟

（北方自動控制技術研究所，太原 030006）

0 引言

戰場核生化態勢感知信息是廣域分布的多元信息，其信息量巨大，信息種類多，且對實時性有很高要求。這一發展趨勢表明，核生化態勢感知信息已經具備了大數據典型的“4V”特征，即海量的數據規模（volume）、快速的數據流轉和動態的數據體系（velocity）、多樣的數據類型（variety）和巨大的數據價值（value），因此，提出了更高的數據處理要求。

以往的核生化態勢感知系統，由于計算能力和存儲能力有限，不具備大數據處理能力，多采用逐級串聯處理方式。系統各節點無法匯集處理所有的感知數據，系統處理嚴重依賴下級節點的處理結果。在核生化態勢認知上，不同的節點態勢感知側重點不同，系統底層對戰場核生化細節感知程度深，但不夠全面完整；系統頂層對宏觀戰場核生化態勢感知全面，但細節信息缺失；因此，系統各級在戰場核生化態勢的認知上存在局限性，制約了指揮員對戰場形勢的全面分析。

針對目前核生化態勢感知系統存在的上述問題，本文提出了基于“云-端”架構的核生化態勢感知系統的設計思路。該系統對核生化態勢感知進行“云-端”功能重分布，充分利用“云”的存儲、計算優勢，提升了傳統流程的數據處理能力，使系統各節點具備了態勢三級感知的處理能力。

1 設計思路

態勢感知［1-2］的概念源于軍事需求，1988年Endsley首次明確提出了態勢感知的定義，把態勢感知分成覺察、理解和預測［4］3個層級的信息處理。將態勢感知定義為“在一定的時空范圍內，認知、理解環境因素，并且對未來的發展趨勢進行預測”［3］。核生化態勢感知系統主要是指情報偵察、預警探測和環境監測等傳感探測資源的協同運用和探測數據的多級融合處理、深度分析和預測。

本文引入云端架構，構建了基于“云-端”架構的核生化態勢感知系統。利用“云”的大數據存儲能力和態勢綜合計算能力，生成全域戰場核生化態勢“一張圖”，為各級作戰指揮所、作戰部隊和武器平臺按需提供精確信息支撐。

構建云端核生化態勢感知框架，統籌實現核生化態勢的3個層級感知，實現思路如下：

“覺察”層級是指核生化態勢感知框架正確且全面地接收外部核生化信息和戰場情況信息，根據信息映射提取模板，獲取環境中的重要線索或元素，實現戰場物理實體到賽博空間［5-6］信息要素的一一映射。態勢感知將提取后的信息要素，建立特征機制，分類分群，轉化生成態勢實體，并進行態勢一致性處理。

“理解”層級是指核生化態勢感知分析由“覺察”層級接收態勢元素屬性，根據態勢數據的特征及關聯原則，對態勢數據進行分類、歸并、關聯，理解情報處理相關態勢實體，從而生成核生化沾染、污染區域信息等理解態勢。

“預測”層級是指基于核生化態勢感知框架的知識發現機制，形成預測知識、偏差知識，進而生成核生化威脅、核生化危害、核化危害趨勢預測、次生核化危害等專題態勢。

2“云-端”核生化態勢感知系統設計

本文貫徹態勢提取、態勢理解、態勢預測的內涵和理念，面向感知信息的處理過程和態勢的認知階段，劃分子系統范疇并進行核生化態勢感知系統設計。設計核生化信息接入子系統，完成核生化信息的接入、戰場情況信息匯集、數據預處理；設計核生化情報融合綜合子系統、核生化危害估算子系統、核生化危害趨勢預測子系統、次生核化危害估算子系統、核生化態勢處理子系統，完成核生化態勢的理解和預測等深度分析處理；設計核生化態勢綜合子系統實現核生化態勢的展現；設計核生化情報分發子系統實現核生化態勢的多維度、分級的智能分發。系統功能模塊圖如圖1所示。

圖1 核生化態勢感知信息系統功能模塊圖

2.1 核生化信息匯集功能設計

核生化信息匯集功能由核生化信息接入子系統實現。主要實現以下功能：1）向戰略情報數據中心訂閱、接入所需的戰略情報信息。2）互聯網數據挖掘功能。根據用戶定制信息類型，接入互聯網上的情報數據，然后根據用戶設定的主題來挖掘分析互聯網情報。該功能需要分布在“云”上，通過“云”與互聯網的聯通，可獲得更大信息量的情報信息。3）訂閱和接收其他來自上級、友鄰、合成部隊的敵情、我情和戰場核生化環境信息。4）匯集防化部（分）隊生產的各類戰場核生化環境信息。5）核生化態勢感知映射功能。采集、分類、解析、清洗不同來源、不同類型的核生化感知數據，提取感知要素，實現感知信息的一體化處理，為應用提供可認知的數據產品，支撐后續的數據處理和展現。該功能也需要分布在“云”上，需要使用“云”平臺的數據存儲能力和態勢綜合計算能力，實現全系統的核生化態勢感知信息的提取和統一處理，如圖2所示。

圖2 核生化信息收集功能示意圖

上述功能中，除了互聯網數據挖掘功能，核生化信息接入子系統的其他所有功能都需部署在“端”上。其中部署在“端”上的核生化態勢感知映射功能只有當“端”與“云”斷開時才能生效，用來保證傳統功能的實現。

2.2 核生化信息分析處理功能設計

核生化信息分析處理功能由核生化情報融合綜合子系統、核生化危害估算子系統、核生化危害趨勢預測子系統、次生核化危害估算子系統、核生化態勢處理子系統實現。

核生化情報融合綜合子系統能夠綜合分析戰場多源核生化情報信息，利用樣條插值算法模型分析計算地域受染情況（極其嚴重、嚴重、中度、輕微）。該子系統功能需要分布在“云”上，可以利用“云”更加廣域的情報信息，使得融合結果更加準確、覆蓋范圍更廣。

核生化態勢處理子系統初始化核生化態勢感知環境，主要實現統一的時間基準和空間基準等操作。能夠基于感知數據和融合處理生成的數據產品提取態勢要素，并進行一致性處理，完成賽博空間內感知要素的標識和態勢實體的映射。該子系統功能需要分布在“云”上，利用“云”平臺的大數據存儲功能，匯集加載全系統的映射模板，實現核生化態勢感知信息的提取和存儲。

核生化危害估算子系統能夠根據核、化學與生物襲擊的規模、襲擊方式、氣象水文地理環境等信息估算核生化襲擊造成的傷害半徑、殺傷半徑等危害后果。

核生化危害趨勢預測子系統能夠根據區域氣象數據與地形數據，預測核化危害在大氣中的擴散趨勢，給出核生化可能對我方造成的危害程度。危害趨勢報告生成過程如圖3所示。

圖3 核化危害趨勢報告的生成過程

次生核化危害估算子系統能夠根據我方核設施、化學設施遭襲后的核化泄露情況，結合氣象、地形條件，估算次生核化危害范圍和危害程度。

為了確保傳統功能的實現，核生化信息分析處理的所有功能都要部署在“端”。當“端”與“云”斷開后，“端”上的核生化態勢處理子系統功能才生效。

2.3 核生化信息展現功能設計

2.3.1 信息展現內容

當前核生化信息展現都是以靜態信息為主，并且信息種類有限，大量的信息還依賴于其他業務子系統去展現。本文力圖突破目前的局限，通過態勢關聯和流程控制等手段，使得更豐富的信息可以直接展現在態勢圖當中。這些信息包括部隊基本情況、任務狀態信息、敵情信息、戰場環境信息、核生化專業信息、戰術控制線信息、通信網絡狀態。

2.3.2 展現能力

秉承“一張圖”指揮控制的原則，除了需要完成基本的態勢標繪、態勢綜合、態勢顯示等功能以外，還必須能夠作為指揮控制的核心應用實現人機交互控制。核生化信息展現功能都需要部署在“端”，以保證傳統功能的實現。

1）態勢標繪。態勢標繪作為防化態勢綜合子系統的基本功能，在集成圖形支撐環境提供的手工標繪基礎上，通過深度學習擴展形成防化專題態勢的標繪方法，典型處理流程如圖4所示。

圖4 典型軍標標繪管理流程

2）態勢綜合。防化態勢綜合子系統不再單純將所接收到的態勢信息進行記錄式的羅列和線性疊加，而是將所有信息進行分類和關聯存儲。通過將信息與業務建立關系映射，形成業務和流程驅動的態勢綜合，通過條件去觸發態勢，然后在適當的時間、環境提供適當的態勢內容，避免線性疊加所帶來的無序和無目的。該功能需要部署在“云”，利用“云”的大數據存儲和計算能力，獲取全系統的核生化態勢感知數據并進行分類及態勢關聯分析處理。

3）態勢顯示。當前防化態勢綜合子系統的態勢顯示內容主要是地理信息、軍標（包括了各類戰場目標、固定目標、部隊部署、氣象水文、核生化專題態勢）等，為了更加突出以態勢為核心的理念，展現更豐富的戰場信息，本文設計的態勢顯示功能更加強大，展現方式更加豐富。

圖5 可控的態勢綜合

a）固化顯示。對于需要長期關注的信息，如時統信息、用戶信息、位置信息、通信狀態、天氣狀態、設備狀態、當前任務等，將其固定顯示于態勢主圖邊緣，如窗口頂欄，窗口側邊，懸掛窗口等。

b）浮動顯示。針對用戶接收到的信息進行通知性顯示或者懸浮式半透明顯示，顯示內容不會太復雜，也不會影響到用戶對于主界面信息的閱讀。

c）關聯顯示。當用戶移動鼠標，點擊某個按鈕、軍標，執行某項操作或者收到某項信息時，通過關聯分析將與其相關的信息以半透明懸浮窗，或者收容式懸掛窗的形式在主視圖之上進行疊加顯示。

d）智能顯隱。包括全態勢級別的智能顯隱和圖元、窗口級別的智能顯隱。全態勢級別的智能顯隱可以在用戶縮放地圖或者點選地圖時，根據用戶的身份和比例尺等因素有選擇地展現態勢圖上的態勢圖元和信息詳細程度，避免對用戶在態勢解讀時造成不必要的干擾。圖元和窗口級的智能顯隱是指根據用戶身份和用戶操作，在向用戶進行信息展現時臨時隱藏部分圖元或者窗口內容，比如在用戶選擇進行化學危害趨勢態勢查看時，突出顯示當前區域內氣象、水文、戰場目標而弱化其他不相關信息。

2.4 核生化情報共享功能設計

核生化情報共享支持發布/訂閱［7-8］、信息推送、信息推薦3種模式。

1）發布/訂閱模式。用戶可以通過客戶端向信息分發服務器訂閱所需信息，也可以將自己的信息向信息分發服務器進行發布，信息分發服務器完成發布信息和訂閱的匹配工作，將信息分發給匹配成功的用戶。2）信息推送模式。信息分發服務器保存有事先制定好的信息推送規則，當有用戶向信息分發服務器發布了新的信息時，服務器會綜合待分發信息的內容、訂閱用戶的狀態以及信息推送規則，向滿足推送條件的用戶強制推送該信息。3）信息推薦模式。信息推薦服務保存了所有用戶的歷史訂閱信息，通過設計好的信息推薦算法在線實時地對用戶的訂閱信息進行分析，以預測用戶目前的興趣，形成各個用戶的信息推薦模板。當待分發的信息與某個用戶的興趣項相吻合時，將該信息推送給該用戶。核生化信息推薦模式由戰場信息屬性和關聯建模子系統、推薦信息模板編輯子系統、推薦信息模板動態更新子系統、信息推薦子系統實現。

核生化情報共享功能需要同時部署在“云”“端”上。使用“云”平臺的大數據存儲能力和計算能力，在“云”平臺上存儲完整的態勢數據，計算、比較、發現各節點缺少的數據，實現態勢數據差量同步。與“云”斷開時，“端”上功能生效，由于“端”的匯總數據有限，數據量僅相當于全局態勢的一個邏輯圖層。因此，只能檢測態勢圖層的完整性，分發態勢圖層，不具備全局態勢的檢測、分發能力。

3 結論

通過分析目前核生化態勢感知系統存在的問題，通過引入云端架構解決現有系統的局限性，設計了基于“云-端”架構的核生化態勢感知系統。同時對核生化態勢感知系統的信息匯集、信息分析處理、信息展現、情報共享四大功能模塊進行“云-端”功能重分布。在確保傳統功能實現的前提下，充分利用“云”的大數據處理能力，提升了現有數據處理能力，并提高了核生化態勢認知層次及核生化態勢信息質量。